摘要：隨著全球氣候變化問題日益嚴(yán)重，碳捕集技術(shù)對于依賴于煤炭等化石能源的發(fā)展中國家來說，在降低溫室氣體排放及環(huán)境保護(hù)方面都具有重要意義。目前，國內(nèi)外都在積極探索碳捕集技術(shù)，并取得了一定進(jìn)展。然而，現(xiàn)有的關(guān)于碳捕集趨勢分析的研究卻相對較少，尤其缺乏全面、系統(tǒng)的定量統(tǒng)計分析。為填補(bǔ)這一空白，研究運(yùn)用文獻(xiàn)計量學(xué)的方法，對2014-2023年間有關(guān)碳捕集的文獻(xiàn)進(jìn)行了較全面的定量統(tǒng)計分析。通過分析這些文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞和主要內(nèi)容，得以洞察當(dāng)前碳捕集領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)和研究方向，并根據(jù)關(guān)鍵詞分析探究了當(dāng)下的熱點(diǎn)碳捕集技術(shù)，進(jìn)一步展望了其未來研究方向，為碳捕集研究提供了數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：文獻(xiàn)計量；可視化；國際合作；碳捕集與封存

隨著全球氣候變化問題愈演愈烈和環(huán)境問題的日益加劇，碳捕集技術(shù)作為一種重要的環(huán)境問題應(yīng)對手段備受關(guān)注。近年來，國內(nèi)外都在積極探索碳捕集技術(shù)，并在這一領(lǐng)域取得了一定進(jìn)展。由于現(xiàn)有的關(guān)于碳捕集趨勢分析的研究相對較少，且缺乏全面、系統(tǒng)的定量統(tǒng)計分析，因此為填補(bǔ)這一空白，本文運(yùn)用文獻(xiàn)計量學(xué)的方法，對2014-2023年間有關(guān)碳捕集的文獻(xiàn)進(jìn)行了較全面的定量統(tǒng)計分析，可為碳捕集研究提供支撐的數(shù)據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

本文的數(shù)據(jù)源自美國科學(xué)信息研究所（ISI）的SCIE數(shù)據(jù)庫。在檢索過程中，以“carbon﹡-captur﹡”為主題進(jìn)行了全面搜索，涵蓋了carbon capture、carbon capturing、carbon dioxide captured等多個關(guān)鍵詞，將2014-2023年間有關(guān)碳捕集的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)下載至Excel、Bibliometrix、VOSviewer并運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)可視化分析、圖示等方法對文獻(xiàn)總量、期刊分布、地域分布及國際合作研究，以及對關(guān)鍵詞進(jìn)行統(tǒng)計分析。首先，對收集到的數(shù)據(jù)做預(yù)處理，除去異常值、空值處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等；其次，進(jìn)行信息提取與識別，通過自然語言處理技術(shù)IF-IDF、TextRank等或文本處理函數(shù)LEFT、RIGHT、MID、FIND、SEARCH等提取所需參數(shù)；再次，根據(jù)參數(shù)信息之間的共現(xiàn)關(guān)系，構(gòu)建相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)或?qū)?shù)信息進(jìn)行分類與統(tǒng)計等數(shù)據(jù)分析；最后，將條形圖、熱力圖等分析結(jié)果可視化，以便更好地理解和展示。文獻(xiàn)的搜索與引用次數(shù)統(tǒng)計截止時間為2024年2月8日。此外，為方便統(tǒng)計分析，將地址位于英格蘭、蘇格蘭、北愛爾蘭及威爾士的文獻(xiàn)統(tǒng)一歸為英國（UK）文獻(xiàn)。

2 獻(xiàn)總量和期刊分布分析

2.1 文獻(xiàn)總量分析

在2014-2023年這段時間內(nèi)，與主題“carbon﹡-captur﹡”相關(guān)的SCI文獻(xiàn)總數(shù)為11674篇，其中論文（Article）占了10115篇，占比達(dá)到87%；綜述（Review Article）1223篇，會議錄論文（Proceeding Paper）232篇；有關(guān)碳捕集的SCI文獻(xiàn)的年發(fā)表量迅速增長，從2014年的583篇到2023年的2462篇，增長了3.2倍。

2.2 期刊分布分析

2014-2023年，11674篇SCI文獻(xiàn)出版在1074中雜志上。其中，出版碳捕集相關(guān)文獻(xiàn)最多的10種期刊2014-2023年的出版量趨勢如圖1所示。10種期刊的出版量在10年間均呈增長趨勢，說明碳捕集相關(guān)研究的熱度正逐年增加。其中，INTERNATIONAL JOURNAL OF GREENHOUSE GAS CONTROL的出版量增長最快且一直位居第1。

此外，通過對11674篇SCI文獻(xiàn)中被引用次數(shù)最多的10種期刊的文獻(xiàn)被引次數(shù)、平均每篇文獻(xiàn)被引次數(shù)及雜志的H因子和G因子的分析，發(fā)現(xiàn)這些期刊上發(fā)表的與碳捕集相關(guān)的文獻(xiàn)占總數(shù)的31%，平均每篇文獻(xiàn)被引次數(shù)高達(dá)27.4次，如表1所示。其中，排在首位的INTERNATIONAL JOURNAL OF GREENHOUSE GAS CONTROL出版了863篇碳捕集相關(guān)文獻(xiàn)，占總數(shù)的7.4%。

3 地域分布及國際合作研究

由于文獻(xiàn)的地理分布由作者所屬機(jī)構(gòu)的地址確定[1]，因而在定義文獻(xiàn)類型時，遵循2項原則，即①若作者所屬機(jī)構(gòu)的地址來自同一個國家，則將其定義為獨(dú)立文獻(xiàn)（IP）；②若作者所屬機(jī)構(gòu)的地址來自不同的國家，則將其定義為國際合作性文獻(xiàn)（CP）。在2014-2023年間，參與碳捕集相關(guān)研究的國家數(shù)量呈現(xiàn)出了明顯的增長趨勢，由2014年的45個增加到了2023年的73個。在文獻(xiàn)作者所屬機(jī)構(gòu)的分布方面，發(fā)現(xiàn)在11674篇有通信作者所屬機(jī)構(gòu)地址記錄的文獻(xiàn)中，68.4%屬于獨(dú)立文獻(xiàn)，而31.6%則屬于國際合作性文獻(xiàn)。值得注意的是，國際合作文獻(xiàn)占文獻(xiàn)總量的比例也呈現(xiàn)出了上升的趨勢，從2014年的26.9%增加到了2023年的33.0%。碳捕集研究文獻(xiàn)的國際合作關(guān)系地圖如圖2所示，可直觀了解全球在碳捕集領(lǐng)域的合作關(guān)系。

由圖2可知，美國、中國和英國在全球與各國的國際合作中最活躍。對在碳捕集領(lǐng)域具有重要地位的美國、中國和英國進(jìn)行進(jìn)一步研究，其碳捕集相關(guān)文獻(xiàn)產(chǎn)量及國際合作水平變化結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，在２個不同的時間段，即2014-2018年、2019-2023年，美國、英國和中國在碳捕集領(lǐng)域的SCI文獻(xiàn)總量在全球的占比分別為47.4%、47.1%。其中，在2014-2018年期間，美國的文獻(xiàn)產(chǎn)出最多，占全球總量的18%；2019-2023年，中國的文獻(xiàn)總量迅速增長，占到了全球總量的26%，超過了美國的13%；英國的文獻(xiàn)總量與美國、中國相比相對較少，其占比從上一個時間段的13%下降到了后一個時間段的8%?？偟膩碚f，美國和英國的文獻(xiàn)總量占比略有下降，但總體上保持穩(wěn)定。而中國則顯示出強(qiáng)勁的上升勢頭，不僅在文獻(xiàn)總量上位居第1，其增長率也是最高的。

國際合作在碳捕集領(lǐng)域的研究中也扮演著越來越重要的角色。如圖3所示，國際合作性文獻(xiàn)占全球總量的比例從2014-2018年的28.8%增加到了2019-

2023年的36.9%。在這一過程中，中國的貢獻(xiàn)尤為突出，2個時間段內(nèi)的國際合作性文獻(xiàn)量占比分別4.9%、7.4%，遠(yuǎn)超英國和美國。這表明，中國在國際合作方面表現(xiàn)出了比英國和美國更為積極的態(tài)勢，其國際合作性文獻(xiàn)量位居第1，并且增長迅速。從文獻(xiàn)引用情況來看，美國在2014-2023年期間，每篇文獻(xiàn)平均被引用次數(shù)為34次，中國為22次，英國為35次。這反映了各國在碳捕集領(lǐng)域的研究質(zhì)量和影響力存在一定的差異。

綜上，中國近年來在碳捕集領(lǐng)域的研究產(chǎn)出和國際合作方面都表現(xiàn)出了強(qiáng)勁的勢頭，成為該領(lǐng)域的重要力量，同時各國之間的研究質(zhì)量和影響力也呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。

4 關(guān)鍵詞分析

關(guān)鍵詞通常反映了文章的主題，進(jìn)行關(guān)鍵詞分析可以幫助確定研究趨勢和熱點(diǎn)[2]。為直觀反映碳捕集領(lǐng)域文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞，對其進(jìn)行可視化分析，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，碳捕集與封存（carbon capture and storage，CCS）所屬球體直徑最大，表明其出現(xiàn)頻率最高。以此類推得知，碳捕集技術(shù)是應(yīng)對氣候變化問題的關(guān)鍵、碳捕集（利用）與封存技術(shù)為碳捕集技術(shù)研究的主流等一系列表觀結(jié)論。

為對之進(jìn)行定量分析，對其出現(xiàn)頻率做出統(tǒng)計。在碳捕集相關(guān)文獻(xiàn)中，出現(xiàn)頻率最高的30個關(guān)鍵詞如表2所示，體現(xiàn)碳捕集研究的關(guān)鍵詞碳捕集與封存（carbon capture and storage）和二氧化碳捕集（CO2 capture）加起來共有3227個，出現(xiàn)頻率居于前列。從總體排名看，碳捕集與封存、二氧化碳捕集在2014-2018年、2019-2023年均為排名第1、第2的關(guān)鍵詞，說明碳捕集與封存、二氧化碳捕集為當(dāng)前碳捕集研究的持續(xù)焦點(diǎn)。氧燃料燃燒（oxy-fuel combustion）、鈣鏈（calcium looping）、能源（energy）和煤（coal）出現(xiàn)頻率的排名有降低趨勢；生命周期評價（life cycle assessment）、生物質(zhì)能碳捕獲與封存（bio-energy with carbon capture and storage）、脫碳（decarbonization）、碳中和（carbon neutrality）、可持續(xù)（sustainability）和負(fù)排放（negative emissions）的排名都有上升趨勢；化學(xué)鏈燃燒（chemical looping combustion）、生物量（biomass）、微藻類（microalgae）、礦物碳酸化（mineral carbonation）和金屬有機(jī)骨架（metal-organic frameworks）的出現(xiàn)頻率都有上升趨勢。作為碳捕集研究的評估方法，技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析（techno-economic analysis）以及最佳化（optimization）的出現(xiàn)頻率較高且均有增加。

5 研究熱點(diǎn)及未來研究方向

由上述關(guān)鍵詞分析得出，生物質(zhì)能碳捕獲與封存技術(shù)（BECCS）、化學(xué)鏈燃燒技術(shù)（chemical looping combustion，CLC）、礦物碳酸化技術(shù)、金屬有機(jī)骨架（metal-organic frameworks，MOFs）等已然“代替”鈣鏈、氧燃料燃燒等技術(shù)成為當(dāng)前碳捕集、碳捕集（利用）與封存技術(shù)的研究熱點(diǎn)，并日益受到全球范圍的廣泛關(guān)注。究其原因，一方面，與BECCS能夠兼顧生產(chǎn)能源與通過生物質(zhì)光合作用吸收大氣中的CO2后進(jìn)行碳的封存分不開，如此不僅達(dá)到CO2“凈零排放”，還實現(xiàn)了CO2的“負(fù)排放”；另一方面，生物質(zhì)能的本質(zhì)是太陽能以化學(xué)能形式貯存在生物質(zhì)中，其媒介為生物質(zhì)，包括所有的動植物和微生物。生物質(zhì)能作為全球第4大能源，僅次于煤炭、石油和天然氣，且其儲量優(yōu)于化石能源，具有可再生、污染低、用途廣等優(yōu)點(diǎn)，與鈣鏈技術(shù)及氧燃料燃燒技術(shù)的高能耗相較明顯具有更大競爭力。

與氧燃料燃燒技術(shù)及各種燃燒后碳捕集技術(shù)均依賴于增加額外分離裝置，能耗與成本顯著提高且大規(guī)模實際應(yīng)用困難[3]，CLC不需要分離設(shè)備就能在燃燒過程中的實現(xiàn)原位碳捕集，燃燒效率高，可達(dá)到CO2內(nèi)分離，從而降低了碳捕集技術(shù)的成本與能耗，其獨(dú)特的反應(yīng)解耦特性，有望應(yīng)用于熱能、燃料、化學(xué)品和電力生產(chǎn)。與氧燃料燃燒技術(shù)中制氧技術(shù)的高投資和能耗不同，相關(guān)研究表明，礦物碳酸化路線是最有希望以低成本實現(xiàn)大規(guī)模利用的碳捕集與封存路線之一[4]，可獲得穩(wěn)定的CO2的永久儲存物，其中使用工業(yè)固體廢棄物來吸收CO2的間接路線具備廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景，主要因其原料來源十分豐富，這意味著不必?fù)?dān)心原料供應(yīng)問題，同時這種路線的反應(yīng)活性很高，能高效吸收CO2。此外，原料的預(yù)處理過程所消耗的能量較低，進(jìn)一步降低了成本，使得礦物碳酸化碳捕集與封存技術(shù)更加經(jīng)濟(jì)實用。因此，有理由相信，這種利用工業(yè)固體廢棄物吸收CO2的間接路線將在未來的工業(yè)碳捕集中發(fā)揮越來越重要的作用。

鈣鏈技術(shù)由于吸附劑易失活，亟需開發(fā)高性能的吸附劑。金屬有機(jī)骨架（MOFs）由于具有孔隙率高、比表面積大、密度低、吸附容量大和孔道可調(diào)節(jié)、表面可修飾等特點(diǎn)，使其吸附分離性能極高，有望成為傳統(tǒng)吸附劑的替代者，在吸附分離領(lǐng)域作為一種新型高效吸附劑被廣泛應(yīng)用。

優(yōu)化木基材料加工及改性工藝、煤-生物質(zhì)流化床高效富氧混燃與CO2封存耦合、生物質(zhì)熱解/氣化高效催化轉(zhuǎn)化與CO2捕集封存耦合、耦合催化體系下CO2與生物質(zhì)協(xié)同高效轉(zhuǎn)化利用、土壤生物炭埋存與碳增匯將是BECCS技術(shù)優(yōu)先發(fā)展的路徑[5]。CLC技術(shù)未來研究可聚焦定向篩選廉價鈣基天然礦石/工業(yè)固廢等材料作為載氧體，以及重構(gòu)載氧體的形貌構(gòu)造和晶體結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化再生性能。

礦物碳酸化的工藝路線有直接路線和間接路線[6-8]。其中，直接路線需要開采大量礦石，不僅會導(dǎo)致礦石預(yù)處理過程能耗高，還容易引發(fā)一系列難以解決的環(huán)境問題；間接路線雖避免了大量礦石開采，但會造成物料無效循環(huán)，進(jìn)而增加整個過程的能耗。為改進(jìn)礦物碳酸化3種工藝路線的不足，未來的研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注3個方面，即一是設(shè)計更加合理、高效的礦物碳酸化工藝路線，以減少能耗和環(huán)境污染；二是探索直接處理含CO2廢氣的技術(shù)，降低工業(yè)應(yīng)用成本，同時尋找能提高轉(zhuǎn)化率的催化劑，以提高生產(chǎn)效率；三是關(guān)注副產(chǎn)品的回收和利用，實現(xiàn)資源的最大化利用。

此外，MOFs因其配體和金屬的多樣選擇性，在結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)上具有極大的優(yōu)勢，使得MOFs在吸附分離領(lǐng)域有著更廣闊的應(yīng)用前景和完善空間。通過進(jìn)一步研究和優(yōu)化MOFs的結(jié)構(gòu)和性能，有望為礦物碳酸化工藝提供新的解決方案。

6 結(jié)論

關(guān)于文獻(xiàn)總量，過去10年各國家在碳捕集研究領(lǐng)域的文獻(xiàn)產(chǎn)量呈現(xiàn)出穩(wěn)定且快速增長的趨勢，2023年的文獻(xiàn)產(chǎn)量約為2014年的4.2倍。

關(guān)于期刊分布，11674篇 SCI文獻(xiàn)被1074種期刊刊發(fā)。31%的文獻(xiàn)發(fā)表在Climatic Change等10種期刊上，平均被引次數(shù)達(dá)27.4。

關(guān)于國際合作，研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)行碳捕集研究的國家分布正在逐步擴(kuò)大，國際合作文獻(xiàn)所占的比例也呈現(xiàn)出增加的趨勢。這一趨勢表明，越來越多的國家和地區(qū)開始關(guān)注并參與到碳捕集研究中來，國際合作在推動該領(lǐng)域發(fā)展方面發(fā)揮著越來越重要的作用。美國、中國與英國在國際合作中的作用舉足輕重。美國與英國碳捕集文獻(xiàn)總量占全世界的比例稍有下降但基本穩(wěn)定，中國文獻(xiàn)比例的增長率最高且穩(wěn)居第1位，表明中國近年來對碳捕集研究工作重視程度更為顯著。美國文獻(xiàn)的引用次數(shù)領(lǐng)先于中國和英國。

關(guān)于熱點(diǎn)領(lǐng)域，碳捕集與封存已為碳捕集研究的第一關(guān)鍵詞且為重要的研究方向。21世紀(jì)20年代以來該研究的技術(shù)熱點(diǎn)有從鈣鏈、氧燃料燃燒轉(zhuǎn)向生物質(zhì)能碳捕獲與封存、化學(xué)鏈燃燒、礦物碳酸化、MOFs的趨勢。

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作者簡介

楊宛豫（2003—），女，漢族，河南南陽人，大學(xué)本科在讀，研究方向為環(huán)境工程。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-05-12